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激光器是许多微加工用途的有效工具，激光聚焦光束可以很容易地会聚到一个直径几微米的目标上（或者通过一只高分辨力物镜将激光曝光的掩膜图形“翻版”到工件上）。在目标区域内激光材料的相互作用将由多个参数加以控制，诸如波长、脉冲能量和脉冲宽度等，这些参数决定脉冲的峰值能量密度。一定的参数组合可以引起打标、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需要的热效应。
受激准分子激光器发出的纳秒（ns）脉冲高能UV光子（主要按掩膜图形分布），可以在材料表面引发“无热效应”，用来腐蚀聚碳酸酯薄层或打标。
而且，无热反应，即冷消融，在采用超短脉冲激光器进行的微加工试验中得到了论证，冷消融基本上可以切割任何一种材料。飞秒（fm）激光器能达到数百tW/cm2（太瓦/ cm2）的能量密度，因此可以加工金属、半导体以及玻璃或有机材料等绝缘体。
最近，试验证明皮秒（ps）激光器可以对金属和其它工业材料进行微加工，并达到相同的精度和类似的单位脉冲切除率。皮秒脉冲宽度之短，足以避免能量发生热扩散并达到这些消融临界过程所需要的峰值能量密度。试验和理论分析说明，10 ps左右的激光脉冲宽度适合于许多加工用途[1]，有助于避免在靶标前面的空气中发生的等离子效应和由此引起的光束变形和散射。
皮秒激光器稳定可靠，而且比飞秒激光器便宜。最重要的是，皮秒激光器提供较高的平均功率(10 W)和良好的光束质量（M2 < 1.5），且频率高达100kHz，从而减少单件成本，并使这种微加工技术具备工业应用的资格。如果一个增强的皮秒激光系统完全调整到合适的状态，就能通过每个脉冲去除聚焦范围内几纳米~几十纳米厚的材料，为工业过程提供极好的通过软件驱动的3D控制能力。这使材料切除率达到1 mm3 /min左右（钢），激光加工总成本约25美分/min。
这样的激光器有望成为高质量的新型加工工具，用于计算机控制的加工系统中，对任何一种材料（金属、半导体以及玻璃、钻石、陶瓷和聚合物等绝缘体）进行穿孔、切割或表面蚀刻。
例如，2003年Lumera Laser展示了这种类型的首台激光器Staccato，该设备以1064 nm脉冲宽度提供 10 W TEM00激光输出，在100kHz频率下提供脉冲宽度12 ps、脉冲能量100 μJ的激光输出，足以使任何材料在直径150 um左右的靶标区域内达到消融临界点。
在很多情况下（甚至在金属上），短脉宽和短波长相结合，可以显示最好的微加工效果，本文将对一些试验范例进行讨论。
不锈钢钻孔
皮秒激光系统有望用于金属精密穿孔，金属表面的边缘质量、内孔壁的质量和微米级的重复精度，都胜于纳秒（ns）激光器。改进钻孔质量的第一步是螺线钻孔（环钻），在这个方式下，激光束沿螺旋形轨迹穿透工件，使孔的出口呈现清晰的圆形边缘（见图1）。 （图片）
图1：在100μm厚不锈钢上螺线钻孔的出口端：孔径100μm，平均功率1W。 为了使整个孔达到良好的质量，在钻孔过程中必须对激光器的辐射偏振进行适应性调整。孔壁表面形成波纹和形状不规则的孔，在很大程度上取决于激光偏振对孔壁表面的影响有关。在螺线钻孔过程中，只要利用特殊的环钻光路进行偏振控制，使极化方向总是垂直于孔壁，就能获得无波纹的孔。
皮秒激光系统的光束质量非常好（M2 < 1.5），皮秒超短激光辐射可以在有效工作距离内聚焦成一个10 μm或更小的光点。
一种应用是在厚50μm的钢箔上钻数个直径50 μm孔，显示了边缘质量良好、无毛刺、融化层最小的孔。采用平均能量2 W的Staccato激光系统，每分钟可以钻180个孔。另一种应用是在厚25 μm钢箔上钻数个30 μm孔，只要对加工参数进行优化，在激光辐射的进口端也能保持良好的孔口质量（见图2）。（图片）
图2：直径30μm孔入口端，采用圆偏振激光钻切，圆度
好，重复精度高，毛刺最小，且孔壁质量不错。 硅片钻孔
为了确定高能皮秒脉冲在这一方面的潜力，并且与纳秒和飞秒脉冲轻易可以实现的表面和边缘质量进行对比，我们在50 μm厚硅片上进行环钻（见图3）。（图片）
图3：采用不同的脉冲宽度环钻硅片（图片由LZH提供）。 图3中的试样说明脉宽对孔口边缘质量和孔壁圆度的典型影响（每种情况的过程参数和可达到的结果均未经过优化）。在这个试验条件下，25 ns脉宽钻孔的平均毛刺高度(15~20 μm)比12 ps脉宽钻孔的平均毛刺高度（3~4 μm）大5~6倍。 脉宽为150 fs时，几乎看不到毛刺。在孔壁表面，质量与脉宽显示出了类似的依存关系：采用25 ns脉冲，形成特别粗糙的表面。采用皮秒和飞秒脉冲时，沿孔壁有细小的沟槽，其原因在于这些试验条件采用了线性偏振（纳秒脉冲也存在这种影响，但是观察不出来，因为融化对表面产生的影响更大）。利用特殊的环钻光路或采用圆偏振，可以显著改进孔壁质量（如下面一个范例所示）。
高频技术要求电子元件穿过硅片上的通孔，而蚀刻工艺几乎不能产生这样的孔。通过采用一台平均能量为5 W 的Staccato激光系统，在300μm厚硅片上钻出了直径2mm的通孔，而且钻一个2mm孔只需几秒钟。图4显示，孔口边缘和孔壁质量良好（该样本是采用圆偏振激光加工的）。 （图片）
图4：在300μm厚的硅片上切孔 陶瓷和玻璃钻孔
如果将皮秒或飞秒数量级的超短激光脉冲聚焦于材料表面，能量密度肯定可以达到几百太瓦/cm2（1太瓦=1万亿瓦特）。在不存在自由电子的材料中，超短激光脉冲的能量由于多光子和电子冲击吸收或带间跃迁而累积。因此，超短脉冲激光器可以处理常规激光器难以加工的硬质材料或透明材料。
当陶瓷钻孔必须达到严格的公差、很小的孔径或复杂的孔眼分布时，可选择激光加工。图5是用 Staccato激光系统在200μm厚陶瓷试样上切出的直径1mm孔，平均能量10W，加工时间约8秒钟。由于无热烧蚀过程，因此在激光加工的孔周围没有任何热裂纹、毛刺和碎屑。（图片）
图5：在300μm厚硅片上钻孔。（左）
图6：在140μm厚玻璃盖片上钻1 mm孔。（右） 利用IR皮秒激光器的三次谐波辐射对硼硅酸玻璃进行了加工，在355 nm脉冲宽度和2 W平均功率下，每分钟加工20个孔。图6显示孔口边缘质量良好，具有最小的影响区，而且毫无裂纹或碎屑。
切割不锈钢
在电子工业，飞秒激光系统目前用于掩膜生产过程，切割100 μm厚不锈钢薄片。采用0.37 W平均功率和1 kHz频率的飞秒激光系统时，切割一块20×20 mm2掩膜差不多需要1小时的加工时间。采用Staccato皮秒激光系统和50 kHz频率、0.85 W平均功率加工同样的图形时，加工时间减少到原来的1/6（见图7）。 （图片）
图7：切割100μm厚不锈钢薄片 切割硅片
切割硅片的通用技术是采用金刚石镶镀的砂轮切断机。为了适合未来的要求，例如减小切口、切割超薄晶片并达到同样高的切口质量，激光辐射的应用正在开发之中[3、4]。在这一点上，集成电路之间的切痕必须尽可能地减小，以优化晶圆芯片封装。此外，高质量的切口对于避免后续处理是必须的。采用飞秒和皮秒激光脉冲（图8）最大限度地避免了在切口附近形成裂纹，而且完全不需要清理以及其它后续加工工序。（图片）
图8：用fs和ps脉冲切割硅片（图片由LZH提供） 表层结构处理：改良金属翼面
利用激光辐射，几乎可以加工每一种微米范围内的结构并达到很高的重复精度。应用流体学主要研究如何减小涡轮机叶片或机翼上流阻，因此，被称为“缝翼”的活动肋状结构在流控系统表面的应用目前正在研究当中。如图9所示，这些结构可以减小翼面和周围气流之间的紊流干扰。（图片）
图 9：潜在应用：金属表面肋形结构可减小摩擦（图片由LZH提供）。 这些示范性肋形构件试样是采用脉宽约12 ps的Staccato激光器实现的，为了避免热损伤，如金属表面的受辐照区域达到融化相，必须采用这样短的脉冲宽度。而且，在加工和非加工材料之间形成毛刺的可能性最小[5、 6]。在规定的行扫描速度下对该表面进行了扫描，下排照片采用1 mm/s，上排采用100 mm/s。
加工金属碳化物
碳化物（硬质合金）机械硬度大(>1300 kp/mm2) ，抗磨损性高，几乎适合于每一种钢、合金和铸铁。这类刀片的耐用性和被加工零件的质量取决于刀刃的形状和表面。刀刃倒圆半径由两个基本成分组成：倒角半径和几何参数。改变激光器的输出功率或进给速率可以达到不同的倒圆半径，而刀刃的几何参数必须按照不同的排屑方式而加以调整。因此，切削力或被加工零件的表面质量可能受到影响。另外，在排屑过程中刀刃的几何特征必须适应加工材料的硬度[6]。
图10a的圆角是在焦点直径30 μm和低脉冲能量的组合条件下加工的，非常低的烧蚀速率对刀刃产生一种平滑作用。加工出的半径在2 μm~10 μm之间，具体尺寸与刀刃原始表面的粗糙度有关。图10c是一个表面质量相同但半径较大的圆角（约45 μm），在这种情况下，由于焦点比较大，必须采用较高的脉冲能量。这项工作属于德国联邦教育与研究部 (BMBF) 出资建立的“GEOSPAN”（刀具表面微观结构的生成和测量）工程(www.geospan.de)。（图片）
图10：采用不同加工参数的倒圆角（图片由LZH提供） 上述用途显示，采用高频皮秒脉冲进行微加工可提供高质量和高效率。12 ps以内的脉冲宽度有助于最大限度地减少热损伤和毛刺，避免产生令人烦扰的非线性结果，而且加工后的刀刃质量和表面光洁度几乎与飞秒加工相同。短脉冲与100 kHz高频率相结合，使激光器能够进行有效而无后续处理的烧蚀过程。而且，皮秒激光器有望用来直接剥离金属覆层 — 消除ITO（Indium Tin Oxide）薄层，或对卡车发动机的活塞衬套进行激光珩磨。
除了在电子和微加工应用中可控地切除材料以外，介入蚀变（折射率改变、色心形成或专用添加剂改性），对于在透明材料内生成识别标志或功能性结构来说是一个有前途的方法。
本文作者：Thomas Herrmann 领导该应用实验室，Bernhard Klimt负责Lumera 激光器的市场销售。 Frank Siegel是Laser Zentrum Hannover eV的项目经理。
参考文献
◆ 1.Dausinger F., H. Hügel, and V. Konov. Micro-machining with Ultrashort Laser Pulses: From Basic Understanding to Technical Applications, in proceedings of Conference ALT 02, 5-20 September 2002, Adelboden (Switzerland).
◆ 2.Dausinger F. Femtosecond Technology for Precision Manufacturing: Fundamental and Technical Aspects, in RIKEN Review No. 50 (January 2003). Focused on Laser Precision Micro Fabrication (LPM 2002), p. 77-82.
◆ 3.Ostendorf A., C. Kulik, T. Bauer, and N. Barsch. Ablation of Metals and Semiconductors with Ultrashort-Pulsed Lasers, Improving Surface Qualities of Micro Cuts and Grooves, in proceedings of SPIE Vol. 5340, 2004, p. 153-163.
◆ 4.T nshoff H. K., A. Ostendorf, K. K rber, and N. Barsch. Ablation and Cutting of Planar Silicon Devices Using Femtosecond Laser Pulses, in Applied Physics A 77 (2003), p. 237-242.
◆ 5.T nshoff H. K., F. von Alvensleben, A. Ostendorf, G. Kamlage, et al. Micromachining of Metals Using Ultrashort Laser Pulses, in International Journal of Electrical Machining, No. 4, January 1999.
◆ 6.T nshoff H. K., A. Ostendorf, C. Kulik, and F. Siegel. Finishing of Cutting Tools Using Selective Material Ablation, in proceedings of 1st International CIRP Seminar on Micro and Nano Technology, Copenhagen, Denmark, November 13-14, 2003.
3/9/2005
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